1. Анализ и описание системы «электропривод – рабочая машина»

1.1 Количественная оценка вектора состояния или тахограммы требуемого процесса движения

1.2 Количественная оценка моментов и сил сопротивления

1.3 Составление расчетной схемы механической части электропривода

1.4 Построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины

2. Анализ и описание системы «электропривод - сеть» и «электропривод - оператор»

3.Выбор принципиальных решений

3.1 Построение механической части электропривода

3.2 Выбор типа привода (двигателя)

3.3 Выбор способа регулирования координат

3.4 Оценка и сравнение выбранных вариантов

4. Расчет силового электропривода

4.1 Расчет параметров и выбор двигателя

4.2 Расчет параметров и выбор силового преобразователя

5. Расчет статических механических и электромеханических характеристик двигателя и привода

6. Расчет переходных процессов в электроприводе за цикл работы

7. Проверка правильности расчета мощности и окончательный выбор двигателя

1. Анализ и описание системы «электропривод – рабочая машина»

1.1 Количественная оценка вектора состояния или тахограммы требуемого процесса движения

Скорость электропривода во время правки и на холостом ходу, которая выбирается из диапазона скоростей от 1,45 м/с до 2,4 м/с.

По описанию технологического процесса [ 1] , можно построить тахограмму требуемого процесса движения. По требованию процесса цикл работы происходит при постоянной скорости. Пуск и переход на другую скорость не входит в цикл работы. Тахограмма показана на рисунке 1 .

Рисунок 1- Тахограмма рабочего процесса

Определим значение минимальной угловой скорости двигателя исходя из тахограммы и условий задания:

(1)

где i - передаточное число редуктора;

v 1 - минимальная скорость передвижения листа;

R - радиус рабочих и опорных роликов.

Максимальная угловая скорость двигателя:

(2)

где v 2 - максимальная скорость передвижения листа.

Рассмотрим два случая:

1)прогонка максимальной длины листа с минимальной скоростью;

2) прогонка минимальной длины листа с максимальной скоростью.

Первый случай.

Время прокатки:

(3)

где L max - максимальная длина листа.

По условию задания ПВ механизма - 75%. Определим время цикла:

(4)

Время холостого хода:

Второй случай.

(6)

Будем выбирать двигатель с расчётным режимом S1 т.к. за время цикла работы привода отсутствуют паузы.

1.2 Количественная оценка моментов и сил сопротивления

Зная общий суммарный момент при максимальной нагрузке, отнесенный к рабочим валкам, можно определить статический момент, приведенный к валу:

(7)

где - КПД механизма (считается неизменным).

Момент холостого хода, приведенный к валу двигателя, задан и равен:

Момент на валу двигателя во время правки определяется по формуле:

1.3 Составление расчетной схемы механической части электропривода

Для теоретического исследования реальную механическую часть электропривода (рисунок 2) заменяем динамически эквивалентной приведенной расчётной схемой, состоящей из сосредоточенных инерционных элементов, соединённых между собой упругими связями, и обладающей таким же энергетическим запасом, как и реальная исходная система привода. Параметрами эквивалентной приведенной расчётной схемы являются суммарные приведенные моменты инерции масс, образованные приведенными массами, связи между которыми приняты жёсткими, и эквивалентные приведенные жёсткости упругих механических связей.

Рисунок 2 - Кинематическая схема механизма

Электропривод состоит из следующих кинематических элементов:

1 - электродвигатель;

2 - редуктор;

3 - шестерная клеть;

4 - универсальные шпиндели;

5 - рабочая клеть.

Момент инерции муфт между двигателем и редуктором равен 16 кг*м 2 ,момент инерции муфт между редуктором и шестерной клетью равен 40,2 кг*м 2 , одного шпинделя - 0,003 кг*м 2 . Момент инерции редуктора, приведенный к валу двигателя, равен 30% от J дв.

Количество шпинделей -17, количество рабочих роликов -17, опорных - 15.

Механическая часть электропривода листоправильного стана представляет собой трехмассовую систему, состоящую из роторов (якорей) двигателей с полумуфтами на валах - J1, редуктора с полумуфтами на его входном и выходном валах - J2 и рабочий орган машины, также с полумуфтами на входном валу - J3. Упругими звеньями данной системы являются жесткости соединительных муфт С 12 и С 23 .

Рассчитаем параметры полученной схемы.

Момент инерции первой массы:

где J пм1 - момент инерции полумуфт на валах двигателей.

Момент инерции редуктора с полумуфтами на его входном и выходном валах (учитывая, что момент инерции редуктора, приведенный к валу двигателя, равен 30% от J дв) равен:

где J пм2 - момент инерции полумуфты на выходном вале редуктора.

Момент инерции рабочего органа привода с полумуфтами на входном валу, приведенный к валу двигателя, рассчитывается по следующему выражению:

(11)

где J рол – суммарный момент инерции рабочих и опорных роликов;

J шп - момент инерции шпинделей;

J пм - момент инерции полумуфт;

i – передаточное отношение редуктора.

Определим момент инерции ролика:

где L - длина ролика, м;

D - диаметр ролика, м;

Плотность материала(=7,66*10 3 кг/м 3).

Учитывая количество рабочих и опорных роликов, получим:

Момент инерции шпинделей:

Тогда момент инерции рабочего органа будет равен:

Жесткость муфты между редуктором и шестерной клетью, приведенная к валу двигателя:

.(15)

Учитывая, что при параллельном соединении упругих элементов жесткости складываются, найдем жесткости соединительных муфт С 12 и С 23 ,которые являются упругими звеньями трехмассовой системы:

где С м1 - жесткость соединительной муфты между двигателем и редуктором.

Расчет переходных процессов в трехмассовой системе сложен, поэтому преобразуем систему в двухмассовую.

Рассчитаем параметры схемы. Эквивалентная жесткость двухмассовой расчетной схемы:

Переход и обоснование перехода к одномассовой расчетной схеме будет приведен ниже.

1.4 Построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины

Нагрузочная диаграмма механизма представляет собой зависимость приведенного к валу двигателя момента в функции времени за цикл работы.

Рабочий цикл представляет собой чередование работы привода при движении листа и холостая работа машины до начала следующего цикла работы. Строим упрощенную нагрузочную диаграмму рабочей машины, которая строится по рассчитанным для каждого участка цикла работы статическим нагрузкам, то есть без учета динамических нагрузок. Динамические нагрузки не входят в цикл работы, так как машина работает с постоянной скоростью.

Упрощенная нагрузочная диаграмма имеет вид:

На интервале холостого хода момент равен моменту холостого хода;

На интервале правки момент равен сумме моментов статического на оси рабочих валков, приведенного к валу двигателя и холостого хода.

Нагрузочная диаграмма представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Нагрузочная диаграмма механизма

Механическая характеристика рабочей машины есть зависимость приведенного статического момента от скорости вала двигателя. Согласно заданию эта зависимость близка к параболической.

Механическая характеристика рабочей машины представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Механическая характеристика рабочей машины

2. Анализ и описание системы «электропривод-сеть» и «электропривод- оператор»

Электропривод листоправильного стана получает питание от 3-х фазной сети переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 380В.

Стандартами предусмотрено и допускается изменение напряжения сети ±10% и частоты ±2,5 % (ГОСТ 13109-87). Данное явление вызвано, среди всего прочего, наличием других мощных потребителей энергии в условиях цеха, завода. Это значительно влияет на работу двигателей, накладывает дополнительные требования к организации их работы.

При помощи автоматического выключателя QF1 подключаем напряжение на преобразователь частоты.

Нажатием кнопки ПУСК привод включается, далее привод работает в автоматическом режиме, для постоянного контроля работы привода оператор не требуется.

3. Выбор принципиальных решений

3.1 Построение механической части электропривода

Кинематическая схема главного электропривода листоправильного стана изображена на рисунке 2. Основная операция - правка, производится с помощью вращающихся валков, расположенных в рабочей клети. Верхний рабочий валок перемещается в вертикальной плоскости, а ось нижнего валка находится всегда в неизменном положении.

Передаточные механизмы в раскатном стане состоят из редуктора, шестерной клети, рабочих шпинделей и соединительных муфт.

Редуктор предназначен для того, чтобы при небольших скоростях раскатки получить возможность применение двигателя с относительно большой номинальной скоростью и тем самым снизить габариты и стоимость двигателя и всей установки в целом.

Шпиндели служат для передачи вращения валкам от шестерной клети. Необходимость их применения заключается в том, что с изменением положения верхнего валка изменяется и расстояние между этим валком и шестерной клетью, а также угол между валом шестерной клети и шпинделем.

Муфты применяются для соединения шестерной клети и двигателя с редуктором.

3.2 Выбор типа привода (двигателя)

Основой выбора типа двигателя является технические условия на проектирование привода листоправильного стана:

Продолжительный режим работы;

Плавное регулирование скорости в заданном диапазоне.

Выше перечисленным условиям соответствуют следующие приводы:

1 Частотный преобразователь - асинхронный двигатель;

2 Управляемый выпрямитель - двигатель постоянного тока;

3 Каскадная схема;

4 Генератор - двигатель.

3.3 Выбор способа регулирования координат

При выборе способа регулирования координат (скорости) необходимо учитывать энергетический аспект выбора способа регулирования. Это значит, что минимальный габарит двигателя и его полное использование по нагреву имеет место тогда, когда способ регулирования скорости по показанию допустимой нагрузки соответствует зависимости нагрузки от скорости.

Так как механическая характеристика механизма является вязкой нагрузкой, то целесообразно использовать способ регулирования скорости при постоянстве мощности, т.е. регулирование с Р = const. В случае применения такого способа двигателю обеспечивается наилучший тепловой режим.

В системе частотный преобразователь (АИН ШИМ) – асинхронный двигатель необходимая скорость получается путем изменения частоты и формирования напряжения на статоре (вольт частотное управление) либо путем регулирования частоты и формировании вектора основного потокосцепления машины (векторное управление).

В системах управляемый выпрямитель – двигатель постоянного тока и генератор – двигатель необходимая скорость получается путем изменения напряжения питания якоря.

В каскадной схеме регулирование скорости осуществляется путем введения добавочной ЭДС в цепь ротора машины.

3.4 Оценка и сравнение выбранных вариантов

Система генератор – двигатель морально устарела, поэтому при сравнении выбранных вариантов учитываться не будет.

Проведение строгих технико-экономических расчётов не представляется возможным из-за отсутствия требуемых исходных данных, поэтому для оценки и сравнения выбранных вариантов воспользуемся приблизительным методом – “методом экспертных оценок”. Сравнение вариантов решения производится относительно n характеристик системы, важных с точки зрения цели проектирования путём сравнения определённых значений соответствующих показателей качества q i . Показатели качества служат для количественной характеристики степени выполнения требований задания на проектирование электропривода, а также других требований рабочей машины.

Оценку электроприводов будем вести по следующим показателям качества:

1 - диапазон регулирования;

2 - КПД электропривода;

3 - коэффициент мощности;

4 - массогабаритные показатели;

5 - стоимость электропривода;

6 - надежность электропривода;

7 - ресурс работы;

8 - затраты на эксплуатацию;

9 - точность регулирования;

Оценим выполнение требований к i-ой характеристике системы по следующему критерию:

5 - требования к i-ой характеристике системы выполнено очень хорошо;

qi = 4 - требования к i-ой характеристике системы выполнено хорошо;

3 - требования к i-ой характеристике системы выполнено удовлетворительно;

2 - требования к i-ой характеристике системы выполнено неудовлетворительно.

Системы ПЧ – АД и УВ – ДПТ с обратной связью по скорости обеспечивают очень большой диапазон регулирования, поэтому требования к диапазону регулирования выполняются очень хорошо. В каскадной схеме диапазон ограничивается мощностью преобразователя, т.е. при увеличении диапазона мощность преобразователя становится больше мощности двигателя, поэтому требования к диапазону регулирования выполняются удовлетворительно.

КПД приводов мощностью достаточно высок, поэтому требования к КПД привода выполняются очень хорошо.

Требования к коэффициенту мощности во всех приводах выполняются хорошо.

Массогабаритные показатели привода определяются массогабаритными показателями двигателя и преобразователя. Современные приводы ПЧ – АД и УВ – ДПТ имеют очень хорошие массогабаритные показатели, поэтому требования к массогабаритным показателям привода выполняются очень хорошо, а каскадная схема имеет несколько худшие массогабаритные показатели, поэтому требования к массогабаритным показателям привода выполняются хорошо.

Требование к стоимости в приводах УВ – ДПТ и каскадной схемы выполняется очень хорошо, а в приводе ПЧ – АД несколько хуже в связи тем, что стоимость ПЧ – АД несколько выше стоимости УВ – ДПТ и каскадной схеме.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет коллекторного узла и щеточных контактов, поэтому требования к надежности и ресурсу работы выполняются очень хорошо. В каскадной схеме двигатель не имеет коллекторного узла, но имеет щеточный контакт, поэтому требования к надежности и ресурсу работы выполняются хорошо. Двигатель постоянного тока имеет коллекторный узел, поэтому требования к надежности выполняются неудовлетворительно, а при надлежащем уходе за коллектором требования к ресурсу работы выполняются удовлетворительно.

Привод ПЧ – АД не требует эксплуатационных затрат, поэтому требования к эксплуатационным затратам выполняются очень хорошо. В каскадной схеме необходима периодическая проверка щеточных контактов, поэтому требования к эксплуатационным затратам выполняются хорошо. В приводе УВ – ДПТ необходим более частый осмотр коллекторного узла, а также периодическая чистка щеток, поэтому требования к эксплуатационным затратам выполняются удовлетворительно.

В приводе УВ – ДПТ требования к точности регулирования выполняются очень хорошо. В приводе ПЧ – АД требования к точности регулирования выполняются хорошо. В каскадной схеме требования к точности регулирования выполняются удовлетворительно.

Выбор варианта в качестве наилучшего зависит от того, насколько равноправными являются характеристики системы, т.е. нужно оценить их значимость. Для этого вводятся весовые коэффициенты λ i , которые можно определить следующим образом:

5 - i-я характеристика системы имеет определяющее значение для цели разработки;

4 - -“- очень большое, но не определяющее значение;

li= 3 - -“- важное;

2 - -“- желательно учесть;

1 - -“- несущественно для цели разработки.

Задачей электропривода является совершение полезной работы с минимумом потерь, поэтому КПД электропривода имеет определяющее значение.

Потребление реактивной мощности из сети нормируется, (за превышение нормы предприятию приходится платить штраф), поэтому коэффициент мощности имеет определяющее значение.

Так как листоправильный стан является агрегатом непрерывного действия и невынужденный простой его приводит к огромным убыткам, поэтому надежность и ресурс работы имеют определяющее значение.

Согласно заданию привод должен обеспечить относительно небольшой диапазон регулирования, поэтому этот показатель качества не имеет очень большого и определяющего значения и его можно охарактеризовать как важный.

Стоимость имеет очень большое значение. Однако, как известно, стоимость тесно связана с качеством, поэтому такой показатель как стоимость имеет большое, но не определяющее значение.

Обычно на металлургических предприятиях имеются помещения достаточные для размещения стана, поэтому массогабаритные показатели стана не имеет очень большого и определяющего значения. Однако с увеличение массы стана увеличивается и его стоимость, поэтому этот показатель можно охарактеризовать как важный.

Оценочная диаграмма представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Оценочная диаграмма (показатели качества: 1 - диапазон регулирования; 2 – КПД электропривода; 3 - коэффициент мощности; 4 - массогабаритные показатели; 5 - стоимость электропривода; 6 - надежность электропривода; 7 - ресурс работы; 8 - затраты на эксплуатацию; 9 - точность регулирования)

Выбор наилучшего решения производится определением взвешенной суммы, (лучший вариант имеет большую сумму) по формуле:

где - показатель качества;

Весовой коэффициент;

Взвешенная сумма.

Определим взвешенные суммы:

В результате получаем, что максимальную взвешенную сумму имеет следующий привод: преобразователь частоты – асинхронный двигатель.

Следовательно, данный привод и подлежит дальнейшему расчету.

4. Расчет силового электропривода

4.1 Расчет параметров и выбор двигателя

Расчетный режим работы двигателя – длительный с переменной нагрузкой, так как в процессе работы двигателя паузы отсутствуют, и нагрузка изменяется скачками (рисунок 5).

Так как необходимые исходные данные для расчета мощности двигателя методами средних потерь, эквивалентного тока отсутствуют, поэтому воспользуемся менее точным методом – методом эквивалентного момента, считая, что постоянные потери, сопротивления двигателя в процессе работы не изменяются, а также, что момент, развиваемый двигателем, пропорционален току.

Согласно нагрузочной диаграмме и механической характеристике рабочей машины момент эквивалентный равен:

(21)

где - коэффициент ухудшения охлаждения машины при работе со скоростью ;

Коэффициент ухудшения охлаждения при паузах, зависящий от вентиляции двигателя (для закрытых самовентилируемых двигателей =0,45 -0,55)

Диапазон регулирования при работе со скоростью .

Дополнительную нагрузку, создаваемую динамическим моментом, будем учитывать коэффициентом запаса .

Рассчитаем момент эквивалентный без учета коэффициента ухудшения охлаждения машины при работе со скоростью отличной от номинальной для двух предельных режимов работы привода:

1)прогонка максимальной длины листа с минимальной скоростью:

;

2) прогонка минимальной длины листа с максимальной скоростью:

Примем момент наибольший из двух приведенных случаев:

.

По заданию проекта требуется обеспечить работу в диапазоне скоростей, следовательно, частоты вращения двигателя:

об/мин;(22)

об/мин;(23)

Минимальная частота вращения двигателя - n дв =500 об/мин, она меньше требуемой. Поэтому регулировать приводом мы будем в 1-ой зоне.

Применяя частотно регулируемый привод, мы сможем обеспечить требуемую частоту вращения.

Оценим необходимую мощность двигателя:

Критерии выбора двигателя следующие:

При выборе необходимо выбирать двигатель с , чтобы более полно использовать двигатель по мощности.

Однако промышленностью выпускаются двигатели (стандартной серии 4А) мощностью больше 197,3 кВт (200кВт) только на обороты свыше 1000 об/мин (104,6 рад/с) и выше, причем при увеличении мощности увеличивается номинальная скорость двигателей.

Так же при увеличении номинальной скорости двигателя уменьшается номинальный момент, согласно формуле

откуда следует, что для того чтобы двигатель не перегревался в процессе работы необходимо завысить мощность двигателя.

Таким образом, необходимо выбирать двигатель мощностью и об/мин. Однако стандартного двигателя (серии 4А) с такими параметрами нет.

Из-за невозможности выполнения привода большой мощности с одним двигателем будем строить электропривод, состоящий из двух машин. Взаимосвязный электропривод в установках большой мощности позволяет уменьшить нагрузку каждого привода и тем самым облегчить передачу к рабочему органу, уменьшить суммарный момент инерции роторов двигателей.

Таким образом, из справочника выбираем двигатели (серии 4А) с идентичными параметрами (поэтому далее все расчеты будем производить для одного двигателя):

4А355M12У3(IP44),

Р н = 110кВт – номинальная мощность,

n = 500 об/мин – синхронная частота вращения,

s н = 0,02 – номинальное скольжение,

Номинальный КПД,

- момент инерции ротора,

Кратность критического момента,

Кратность пускового момента,

О.е.; о.е.; о.е.; о.е.; о.е. – параметры схемы замещения в о.е.

Номинальная скорость двигателя равна:

Номинальный момент двигателя:

(28)

Для того чтобы двигатель не перегревался, необходимо, чтобы момент допустимый по нагреву двигателя (равный моменту номинальному двигателя) был больше либо равен моменту эквивалентному:

(29)

Таким образом, выбранный двигатель проходит по нагреву.

Проверяем правильность выбора двигателя по перегрузочной способности и по условиям пуска.

Привод пускается на холостом ходу, тогда:

(30)

По перегрузочной способности:

(31)

где U = 0.9U н – учитываем возможное снижение питающего напряжения на 10%.

4.2 Расчет параметров и выбор силового преобразователя

Требуется выбрать преобразователь частоты со следующими характеристиками:

Тип преобразователя – АИН ШИМ;

Закон управления – P=const;

Питающая сеть: ~3 380В 50Гц;

Мощность преобразователя – Р=75 кВт.

Выбираем преобразователь Omron 3G3FV А4750 CUE. Высоко динамичный с большой глубиной регулирования. Пусковой момент до 150% с 3 Hz. Отличается режимом векторного управления, возможностью работы с полным моментом в области нулевых частот и улучшенными динамическими характеристиками: имеет функцию автоматического определения параметров электродвигателя. 7 дискретных входов (6 из них программируемые), 3 аналоговых входа (1 программируемый) (0-10В или 4-20мА). 2 аналоговых выхода для мониторинга частоты или тока. 2 программируемых релейных выхода (до 1А). 2 опторазвязанных выхода Встроенный RS232/RS485/422 + PID + Энергосбережение + neuro-Fuzzy + крановые характеристики.

Таблица 1 – Характеристики преобразователя

Частотный преобразователь обеспечивает полную защиту преобразователя и двигателя от перегрузок по току, перегрева, утечки на землю, и обрыва фазы.

5. Расчет статических механических и электромеханических характеристик двигателя и привода

Механическая характеристика рассчитывается по формуле:

(32)

где - фазное напряжение на статоре;

Активное сопротивление фазы статора, Ом;

Активное сопротивление фазы ротора, приведенное к цепи статора, Ом;

Индуктивное сопротивление фазы статора, Ом;

Индуктивное сопротивление фазы ротора, приведенное к цепи статора, Ом;

s – скольжение;

Скорость идеального холостого хода (магнитного поля).

Сопротивления фаз статора и приведенные сопротивления фаз ротора рассчитаем по справочным данным.

Базисное значение сопротивления:

(33)

где в качестве базисных значений напряжения и тока принимаем номинальные значения фазного напряжения и тока статора:

Построим естественную механическую характеристику по формуле (41) используя математический пакет Mathcad, учитывая, что , подставляя , откладывая по оси х момент М, а по оси у - скорость двигателя .

Естественная механическая характеристика двигателя представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Естественная механическая характеристика двигателя

Рассчитаем электромеханические характеристики двигателя.

В качестве базисной величины тока, принимаем номинальное значение тока ротора, приведенного к статорной цепи.

Зависимость приведенного тока ротора от скольжения определяется по формуле:

(36)

Зависимость тока статора от скольжения определяется по формуле:

(37)

где - относительный ток ротора;

Максимальное значение относительного тока ротора;

Относительный ток намагничивания;

Номинальный ток статора.

Максимальное значение относительного тока ротора:

(38)

где - критическое скольжение;

.(39)

Относительный ток намагничивания:

(40)

Относительный ток ротора:

(41)

Построим естественную электромеханическую характеристику роторного тока и электромеханическую характеристику статорного тока, используя математический пакет Mathcad, подставляя , откладывая по оси х ток I, а по оси у - скорость двигателя .

Естественные ЭМХ двигателя представлены на рисунке 9.

Рисунок 9 - Естественные электромеханические характеристики двигателя

Так как для регулирования скорости применяется ПИ – регулятор (будет показано ниже), который дает нулевую статическую ошибку, поэтому механическая характеристика привода будет абсолютно жесткой.

Рисунок 10 - Механическая характеристика привода

6. Расчет переходных процессов в электроприводе за цикл работы

Для получения более простых передаточных функций регуляторов необходимо перейти от двухмассовой расчетной схемы к одномассовой расчетной схеме.

Обоснование перехода к одномассовой расчетной схеме:

Используются только обратные связи по переменным двигателя;

Частота собственных колебаний:

Условие перехода: .

Как показано ниже Т  привода составляет 0,0258, тогда . Тогда условие перехода выполняются () и, следовательно, можно перейти к одномассовой расчетной схеме.

Суммарный момент инерции одномассовой расчетной схемы будет равен:

Одномассовая расчетная схема представлена на рисунке 11

Рисунок 11 - Одномассовая расчетная схема

При регулировании зависимость момента допустимого по нагреву двигателя от скорости должна повторять зависимость момента статического от скорости.

Для управления приводом будем использовать двухконтурную систему автоматического регулирования с вольт/частотным управлением с последовательной коррекцией звеньев, с внутренним контуром регулирования момента и внешним контуром регулирования скорости.

При вольт/частотном управлении организуется два канала управления: канал управления частотой питания и канал управления напряжением. Стабилизация скорости осуществляется путем регулирования напряжения в функции частоты и в функции нагрузки.

Рассмотрим канал регулирования частоты.

Разлаживая уравнения динамической механической характеристики в ряд и линеаризуя полученные уравнения в окрестности точки М=0, s=0, получим линеаризованную модель асинхронного двигателя, справедливую для .

Вследствие того, что в асинхронном электроприводе сложно измерять момент двигателя, вместо регулирования момента по отклонению применяют регулирование по возмущению. Т.к. возмущающим воздействием для контура регулирования момента является скорость, то будем вводить положительную обратную связь по скорости, с коэффициентом передачи .

Регулировать скорость двигателя будем по отклонению, вводя отрицательную обратную связь по скорости.

Структурная схема канала регулирования частоты представлена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Структурная схема канала регулирования частоты

Рассмотрим контур регулирования момента.

Для статического режима:

Нулевая ошибка будет обеспечена, если:

.(44)

Максимальное значение момента двигателя:

При вольт/частотном управлении с :

(46)(47)

Электромагнитная постоянная времени:

(48)

Жесткость механической характеристики:

(49)

Коэффициент передачи преобразователя по частоте определяется отношением максимального сигнала на выходе преобразователя к максимальному сигналу на выходе регулятора момента:

.(50)

Максимальное значение момента ограничения равно критическому моменту естественной характеристики двигателя:

Из уравнения (45) находим К рм:

Регулятор момента представляется в виде П – регулятора.

Предельное значение коэффициента усиления обратной связи, обеспечивающее регулирования момента с нулевой ошибкой:

(53)

Для расчета контура скорости представим контур момента в виде звена:

Обозначив , получим передаточную функцию оптимизированного контура регулирования момента:

(55)

Структурная схема контура регулирования скорости представлена на рисунке 13

Рисунок 13 – Структурная схема контура регулирования скорости

Коэффициент передачи датчика отрицательной обратной связи по скорости рассчитывается как отношение максимальной скорости на соответствующее напряжение задания:

(56)

Малой некомпенсируемой постоянной времени контура регулирования скорости является электромагнитная постоянная двигателя, т.е. принимаем .

Большой компенсируемой постоянной времени контура регулирования скорости является механическая постоянная двигателя.

Для получения нулевой ошибки в статике и форсировки переходных процессов в динамике регулятор скорости должен быть ПИ – регулятор.

Настроим регулятор скорости на симметричный оптимум.

Желаемая передаточная функция контура скорости настроенного на симметричный оптимум:

.(57)

Передаточная функция объекта регулирования:

(58)

Разделив желаемую передаточную функцию контура скорости, на передаточную функция объекта регулирования получим передаточную функцию регулятора скорости:

;

.

Для того чтобы убрать перерегулирование, по заданию необходимо на входе контура скорости поставить фильтр с постоянной времени и следующей передаточной функцией:

(61)

Расчет переходных процессов производятся в пакете Matlab.

В модели будем использовать одномассовую консервативную расчетную схему привода.

Модель привода представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 – Модель привода

Графики переходных процессов – момента электромагнитного двигателя и скорости первой массы, приведенные к валу двигателя - представлены на рисунках 15, 16.

Рисунок 15 – График переходного процесса скорости первой массы

Рисунок 16 – График переходного процесса электромагнитного момента

В результате моделирования получили, что перерегулирование скорости составляет:

7. Проверка правильности расчета мощности и окончательный выбор двигателя

Проверку правильности расчета мощности выполним методом средних потерь.

Полные номинальные потери в двигателе равны:

Переменные номинальные потери в двигателе равны:

Тогда постоянные потери будут равны:

Средние потери за цикл работы равны:

(65)

где - потери в i-й момент времени,

Коэффициент ухудшения охлаждения при работе со скоростью ,

Т ц =6.9 с – время цикла.

Потери в i-й момент времени можно определить из следующего выражения:

,(66)

где,

Степень загрузки двигателя.

.(66’)

Подставляя (66’) в (65) получим:

(67)

Используя выражения (67) найдем средние потери за цикл работы.

Для нахождения средних потерь по формуле (67) воспользуемся моделью привода.

Сначала возводим в квадрат момент электромагнитный двигателя. Потом делим полученное значение на квадрат номинального момента и прибавляем . Затем интегрируем полученное значение и умножаем на , получаем значение средних потерь за цикл работы.

Модель для нахождения средних потерь за цикл работы представлена на рисунке 17.

Рисунок 17 - Модель для нахождения средний потерь за цикл работы

В результате моделирования было получено, что средние потери за цикл работы равны:

.

Тогда коэффициент загрузки двигателя составляет:

(68)

Таким образом, двигатель загружен на 80% (70%<80%<100%), следовательно, оставляем выбранный двигатель.

Грузоподъемные механизмы (ГПМ) предназначены для погрузки оборудования, сырьевых ресурсов с пирса в люки трюмов и наоборот. Они подразделяются на грузовые, траловые, шлюпочные и другие лебёдки, а также крановые механизмы. Судовые краны являются автономными механизмами и в отличие от лебедок не требуют дополнительного такелажа.

Грузовые краны имеют три механизма: механизм подъема груза, механизм изменения вылета стрелы и механизм поворота. Кормовые краны имеют два механизма: механизм подъема и механизм передвижения. Грузовые краны более эффективны и маневренны, поэтому большинство сухогрузов и рефрижераторов снабжены кранами.

По механической части краны и лебедки могут иметь червячный или цилиндрический редуктор. Червячные редукторы имеют меньший КПД, чем цилиндрические.

Рассмотрим пример расчёта, проверки выбора электропривода грузоподъёмного механизма:

масса груза - =2500 кг ;

скорость подъёма – =50 ;

скорость опускания – =25 ;

высота подъёма – =25 ;

диаметр барабана – =0,42 ;

передаточное число редуктора – =36;

к.п.д. механизма – =0,85;

время паузы между – =110с;

напряжение сети – ;

длина кабеля – =60 .

Предварительный выбор двигателя.

Момент на валу электродвигателя при подъёме номинального груза

Момент на валу электродвигателя при опускании номинального груза в режиме тормозного спуска

Скорость электродвигателя (на быстроходной обмотке), необходимая для обеспечения заданной скорости подъёма номинального груза

или частота вращения

Скорость электродвигателя, необходимая для обеспечения опускания груза

или частота вращения

Мощность электродвигателя при подъёме номинального груза на быстроходной обмотке

Мощность электродвигателя при опускании груза на обмотке средней скорости

В качестве электродвигателя выбираем судовой трёхскоростной асинхронный электродвигатель для якорно-швартовных механизмов серии МАП 622-4/8/16 ОМ1 с параметрами для работы на двух скоростях.

Определяем номинальный момент двигателя на быстроходной обмотке

Определяем номинальный момент двигателя на тихоходной обмотке:

Таким образом, работая с и двигатель не перегружается.

Механическая характеристика электродвигателя строится по следующим точкам:

а) для быстроходной обмотки:

· точка идеального холостого хода для быстроходной обмотки ,

где - частота сети, - число пар полюсов;

· точка номинального режима ;

· точка пуска - кратность пускового момента.

характерные точки режима для быстроходной обмотки:

точка холостого хода

точка номинального режима

точка критического момента

точка пускового момента

промежуточная точка1

промежуточная точка2

б) для тихоходной обмотки:

· точка идеального холостого хода для тихоходной обмотки:

· точка номинального режима ;

· точка, соответствующая критическому моменту ,

где - кратность максимального момента, , причём критическое скольжение определяется по выражению:

· точка пуска ,

где - кратность пускового момента.

Дополнительные точки определяются по формуле Клосса:

промежуточные точки при скольжении, равном и

характерные точки режима для тихоходной обмотки:

точка холостого хода

точка номинального режима

точка критического момента

точка пускового момента

промежуточная точка1

промежуточная точка2

На рисунке приведены механические характеристики АД Рис.7.1.

Построение нагрузочной диаграммы.

1) При подъёме номинального груза приведённый к валу двигателя момент инерции электропривода определяется:

где - опускаем из-за её малости.

Тогда для двигателя без тормоза

2) Время разгона двигателя на подъёме груза

3) Расчётный тормозной момент

4) Время торможения при подъёме груза и отключения двигателя

где , - коэффициент запаса тормоза .

5) Время пуска двигателя на спуск груза

6) Время торможения при спуске груза

7) Пути, пройденные при разгоне и торможении двигателя во время подъёма:

8) Пути, пройденные при разгоне и торможении двигателя во время спуска:

9) Установившаяся скорость подъёма груза с учётом выбранного двигателя и время подъёма:

10) Установившаяся скорость опускания груза с учётом выбранного двигателя и время спуска:

11) На основе расчёта строим нагрузочную, скоростную и токовую диаграммы (рис.7.2).

Рис.7.2а. Нагрузочная диаграмма.

t,c

Рис 7.2б. Скоростная диаграмма.

t,c

Рис.7.2в. Токовая диаграмма.

Время цикла

Мощность электродвигателя соответствует пуску, торможению и установившемуся режиму. Однако на этих этапах необходимо убедиться в отсутствии перегрева электродвигателя путём оценки его эквивалентного (среднеквадратичного) тока в цикле.

Эквивалентный (по нагреву) ток нагрузки электродвигателя определяется с помощью:

где - интервала цикла.

Можно полагать, что на каждом этапе цикла ток электродвигателя постоянный.

Во время разгона двигатель работает в режиме пуска , следовательно

Во время подъёма груза с установившейся скоростью на быстроходной обмотке электродвигатель работает в режиме близком к номинальному

При опускании груза электродвигатель работает в тормозном режиме. Во время разгона двигатель работает в режиме пуска , на тихоходной обмотке

Во время спуска груза с установившейся скоростью на тихоходной обмотке электродвигатель работает в режиме близком к номинальному

Тогда эквивалентный ток двигателя

Фактическая продолжительность включения двигателя

или ПВ=34%.

Допустимое значение эквивалентного тока двигателя определяется соотношением

Следовательно, эквивалентный ток рабочего режима (50,2А) меньше допустимого (70,3А) при фактической продолжительности включения ПВ=34%, что доказывает возможность использования (по температурным условиям) выбранного двигателя.

Выбор кабеля от распределительного щита

до электродвигателя

При выборе питающего кабеля исходят из расчёта величины эквивалентного тока, вида прокладки, температуры окружающей среды и т.д.

Величина расчётного тока кабеля определяется по формуле

где - эквивалентный ток, определённый в п.7; - коэффициент, учитывающий уменьшение допустимой нагрузки кабеля находящегося в пучке; для однорядных пучков - , - коэффициент, учитывающий число часов работы в сутки, к 2 =1,41, определяемый как

В трёхфазной системе для вычисления потери напряжения определяют как

где - коэффициент мощности выбранного двигателя.

Ниже приведены величины активных и реактивных сопротивлений одной жилы кабеля при температуре 65 о С и частоте сети 50 Гц, для 1000 метров кабеля.

Таблица 3

Обычно потеря напряжения выражается в процентах от номинального напряжения

Допустимые потери для сетей освещения – 5%, сетевых потребителей – 7%, норма не превышена.

Выбор коммутационной аппаратуры

Автоматический выключатель (автомат) предназначен для автоматического размыкания электрических цепей при аварийной ситуации, а также для нечастых оперативных включений и отключений электрических цепей при нормальных режимах работы.

Автоматы снабжены расцепителями, контролирующими величину соответствующего параметра (в данном случае - тока).

Для включения и отключения электропривода выбираем автоматический выключатель А3114Р с комбинированным максимальным расцепителем на номинальный ток 100А.

Управление режимами электропривода

Регулирование скорости в электроприводах на переменном токе осуществляется за счёт использования многоскоростных асинхронных

электродвигателей и контроллеров управления (см. рис.7.3).

Статор асинхронного двигателя имеет две группы обмотки С2, и С3 комбинации которых обеспечивают изменение механической характеристики электродвигателя с синхронными скоростями вращения. Обмотки подключаются через общий автоматический выключатель АВ и контакты силового кулачкового контроллера 1-ХП согласно таблице 4.

В этой же цепи включены реле тепловой защиты от перегрузки РТ1, РТ2 и РГ. При превышении тока величины установки реле оно срабатывает и разрывает цепь контакторов грузовой защиты КГ1 и КГ2.

Цепи управления питаются через трансформатор Тр и выпрямитель Вп. В аварийных ситуациях, не допускающих остановки электродвигателя, несмотря на его перегрузку, тепловая защита шунтируется кнопкой К. При отключении автомата АВ, ротор двигателя заторможен дисковым тормозом Т, который растормаживается электромагнитом ТМ при включении АВ.

Работа электропривода в направлении выбирать (подъём груза) и травить (опускание груза) определяется только направлением вращения магнитного поля. Реверс осуществляется контактами IV и VI. При положении рукоятки в секторе «выбирать» замкнуты контакты II, III, V, (см. таблицу), а в положении «травить» - II, IV, VI.

При пуске двигателя катушка ТМ растормаживает дисковый тормоз. В первом положении рукоятки силового кулачкового контроллера получает питание обмотка С3, т.к. контакты грузового контактора КГ1 шунтируют фазы обмотки С2. Двигатель разгоняется по характеристике I до частоты первой ступени. Рукоятка переводится во второе положение, размыкаются контакты КГ1 и замыкаются контакты КГ2 и I,шунтируя обмотку С3 и включая звёздочкой обмотку С2. Двигатель переходит на характеристику 2 и разгоняется до частоты второй ступени. Но если нагрузка на двигатель возрастает выше допустимой, тогда срабатывает грузовое реле РГ и размыкает цепь катушек КГ1 и КГ2. Схема обеспечит переключение двигателя на характеристику 1, т.к. обмотка С2 будет отключена, а С3 включена.

Таблица 4

Рис.7.3. Принципиальная схема грузоподъемного механизма.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исходные данные

U н =220 В - номинальное напряжение

2 р=4 - двигатель четырехполюсный

Р н =55 кВт - номинальная мощность

n н =550 об/мин - номинальная частота вращения

I н =282 А - номинальный ток якоря

r я +r дп =0,0356 Ом - сопротивление якорной обмотки и добавочных полюсов

N=234 - число активных проводников якоря

2a=2 - число параллельных ветвей якоря

Ф н =47,5 мВб - номинальный магнитный поток полюса

k = pN/2a=2*234/2=234 - конструктивный коэффициент двигателя

kФн=Е/щ=(Uн.-Iн.(Rя.+ Rд.п.))/щ=3,65 (Вб.)

щ н =2рn н /60=57,57 (рад./с.)

щ(I )

щ=0, I=6179,78 (A.)

I=0, щ=60,27 (рад./c.)

щ(M )

щ(M)=Uн - M(Rя.+ Rд.п.)/(kФн)

щ=0, M=22 (кН/м)

M=0, щ=60,27 (рад./c.)

2. Определить величину добавочного сопротивления, которое необходимо ввести в цепь якоря для снижения скорости до щ=0,4щ н при номинальном токе якоря двигателя I = I н . Построить электромеханическую характеристику, на которой будет работать двигатель с пониженной скоростью

Схема реостатного регулирования двигателя независимого возбуждения:

щ=0,4щ н =23,03 (рад/с)

щ=(Uн. - Iн(Rя.+ Rд.п.+Rд))/ kФн

kФн* щ= Uн. - Iн(Rя.+ Rд.п.+Rд)

Iн(Rя.+ Rд.п.+Rд)= Uн - kФн* щ

Rд=(Uн - kФн*щ)/ Iн - (Rя.+Rд.п)=(220-84,06)/282-0,0356=0,4465 (Ом) - добавочное сопротивление

Построение электромеханической характеристики - щ(I )

щ(I)=(Uн. - I(Rя.+ Rд.п.+Rд))/ kФн

щ=0, I=456,43 (A)

I=0, щ=60,27 (рад./c.)

двигатель якорь тормозной электромеханический

3. Определить добавочное тормозное сопротивление, ограничивающее ток якоря двукратным значением от номинального I =2 I н при переходе из номинального режима в генераторный:

а) торможение противовключением

Из формулы: щ(I)=(Е - I R)/ kФн находим Rобщ:

Rобщ=(щ н.(kФ) н. - (-Uн.))/-2Iн=(57,57*3,65+220)/(2*282)=0,7626 (Ом.)

Rд=Rобщ - (Rя.+ Rд.п)=0.727 (Ом)

Берём, при расчётах, сопротивление по модулю.

Построение электромеханической характеристики - щ(I )

щ(I)=(E - I R)/ kФн

щ=0, I=-288,5 (A.)

I=0, щ=-60,27 (рад./c.)

Построение механической характеристики - щ(M )

щ(M)=E - M*R /(kФ)

щ=0, M=-1,05 (кН/м)

M=0, щ=-60,27 (рад./c.)

б) динамическое торможение

Так как при динамическом торможении якорные цепи машины отключены от сети, то в выражении следует приравнять нулю напряжение U н, тогда уравнение примет вид:

М = - I н Ф=-13,4 Н/м

щ=М*Rобщ/(kФн) 2

Rобщ= щ н *(kФн) 2 /М=57,57*3,65 2 /13,4=57,24 (Ом)

Rд=Rобщ - (Rя.+ Rд.п)=57.2 (Ом)

Построение электромеханической характеристики - щ(I )

щ(I)=(E - I R)/ kФн

щ=0, I=-3,8 (A.)

I=0, щ=60,27 (рад./c.)

Построение механической характеристики - щ(M )

щ(M)=E - M*R /(kФн)

щ=0, M=-14,03 (кН/м)

M=0, щ=60,27 (рад./c.)

Ф=0,8Фн=0,8*47,5=38 (мВб)

kФ=2,92 (Вб.)

Построение электромеханической характеристики - щ(I )

щ(I)=(Uн. - I(Rя.+ Rд.п.))/ kФ

щ=0, I=6179,78 (A.)

I=0, щ=75,34 (рад./c.)

Построение механической характеристики - щ(M )

щ(M)=Uн - M(Rя.+ Rд.п.)/kФ

щ=0, M=18 (кН/м)

M=0, щ=75,34 (рад./c.)

Построение электромеханической характеристики - щ(I )

щ(I)=(U. - I(Rя.+ Rд.п.))/ kФн

щ=0, I=1853,93 (A.)

I=0, щ=18,08 (рад./c.)

Построение механической характеристики - щ(M )

щ(M)=U - M(Rя.+ Rд.п.)/(kФн)

щ=0, M=6.77 (кН/м)

M=0, щ=18,08 (рад./c.)

6. Определить скорость двигателя при рекуперативном спуске груза, если момент двигателя составляет М=1,5Мн

М=1,5Мн=1,5*13,4=20,1 (Н/м)

щ(M)=Uн - M(Rя.+ Rд.п.)/(kФн)=60 (рад/с)

n=60*щ/(2*р)=574 (об/мин)

Схема включения пусковых резисторов

Значения токов переключения I 1 и I 2 выбираем, исходя из требований технологии к электроприводу и коммутационной способности двигателя.

л= I 1 /I 2 =R 1 /(Rя+Rдп)=2 - отношение токов переключения

R 1 = л*(Rя+Rдп)=0,0712 (Ом)

r 1 = R 1 - (Rя+Rдп)=0.0356 (Ом)

R 2 = R 1 * л=0,1424 (Ом)

r 2 = R 2 - R 1 =0.1068 (Ом)

R 3 = R 2 * л=0,2848 (Ом)

r 3 = R 3 - R 2 =0,178 (Ом)

Построение пусковой диаграммы

щ(I)=(Uн. - I(Rя.+ Rд.п.))/ kФн

щ 0 =0, I 1 (R 3)=772,47 (A)

щ 1 (I 1)=(Uн. - I 1 R 2)/ kФн=30,14 (рад/с)

щ 2 (I 1)=(Uн. - I 1 R 1)/ kФн=45,21 (рад/с)

щ 3 (I 1)=(Uн. - I 1 (Rя+Rдп))/ kФн=52,72 (рад/с)

I=0, щ=60,27 (рад./c.)

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Определение тока холостого хода, сопротивлений статора и ротора асинхронного двигателя. Расчет и построение механических и электромеханических характеристик электропривода, обеспечивающего законы регулирования частоты и напряжения обмотки статора.

контрольная работа , добавлен 14.04.2015


Расчет и построение естественных и искусственных характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Характеристики при пуске и торможении. Определение времени разгона привода. Графоаналитическое решение уравнения движения электропривода.

курсовая работа , добавлен 02.05.2011


Определение индуктивность между цепью якоря и цепью возбуждения двигателя. Расчет индуктивности обмотки возбуждения, реактивного момента и коэффициента вязкого трения. График изменения момента и скорости вращения вала двигателя в функции времени.

лабораторная работа , добавлен 14.06.2013


Расчет и построение естественных и искусственных механических характеристик двигателя постоянного тока смешанного возбуждения. Расчет регулирующего элемента генератора параллельного возбуждения. График вебер-амперной характеристики электродвигателя.

контрольная работа , добавлен 09.12.2014


Расчет механических характеристик двигателей постоянного тока независимого и последовательного возбуждения. Ток якоря в номинальном режиме. Построения естественной и искусственной механической характеристики двигателя. Сопротивление обмоток в цепи якоря.

контрольная работа , добавлен 29.02.2012


Расчёт и построение естественных механических и электромеханических характеристик двигателя. Способ пуска и регулирования скорости в пределах цикла, ящик сопротивления. Механические характеристики в рабочих режимах и режиме динамического торможения.

курсовая работа , добавлен 11.08.2011


Расчет исходных данных двигателя. Расчет и построение естественных механических характеристик асинхронного двигателя по формулам Клосса и Клосса-Чекунова. Искусственные характеристики двигателя при понижении напряжения и частоты тока питающей сети.

курсовая работа , добавлен 30.04.2014


Предварительный выбор двигателя по мощности. Выбор редуктора и муфты. Приведение моментов инерции к валу двигателя. Определение допустимого момента двигателя. Выбор генератора и определение его мощности. Расчет механических характеристик двигателя.

курсовая работа , добавлен 19.09.2012


Расчёт силовой части привода и системы регулирования тока возбуждения, якоря и скорости. Выбор двигателя, трансформатора, полупроводниковых элементов, защитной и коммутационной аппаратуры. Применение электропривода в металлургическом производстве.

курсовая работа , добавлен 18.06.2015


Расчет мощности двигателя, энергетических, естественных и искусственных механических и электромеханических характеристик системы электропривода. Выбор преобразовательного устройства, аппаратов защиты, сечения и типа кабеля. Расчет переходных процессов.

Кафедра: «Электрооборудования Судов и Электроэнергетики»
Курсовая работа
на тему:

«Расчёт электропривода грузоподъёмного механизма»

Калининград 2004

1. 
   Исходные данные для расчётов……………………………………………
2. 
   Построение упрощённой нагрузочной диаграммы механизма

1. 
   Построение упрощённой нагрузочной диаграммы двигателя………….

2.3 Расчёт статической мощности на валу двигателя………………………...

2.4 Построение упрощённой нагрузочной диаграммы двигателя…………..

2.5 Расчёт требуемой мощности двигателя по упрощённой нагрузочной

диаграмме…………………………………………………………………...

3. Построение механической и электромеханической характеристики……..

3.1 Расчёт и построение механической характеристики……………………...

3.2 Расчёт и построение электромеханической характеристики……………..

4. Построение нагрузочной диаграммы………………………………………..

4.1 Подъём номинального груза………………………………………………..

4.2 Тормозной спуск груза……………………………………………………...

4.3 Подъём холостого гака……………………………………………………..

4.4 Силовой спуск силового гака………………………………………………

5. Проверка выбранного двигателя на обеспечение заданной

производительности лебёдки………………………………………………...

6. Проверка выбранного двигателя на нагрев…………………………………

7. Силовая схема преобразователя частоты с инвертором напряжения……..

8. Список используемой литературы…………………………………………..

1. 
   Исходные данные для расчётов

Таблица -1- Исходные данные для расчётов
2. Построение упрощённой нагрузочной диаграммы механизма

и предварительный выбор мощности двигателя

2.1 Построение упрощённой нагрузочной диаграммы двигателя
Продолжительность включения рассчитываем по формуле:

(1)
где
(2)

Время работы двигателя при подъёме груза:

Время работы двигателя при спуске груза:

(5)
Время работы двигателя при подъёме холостого гака:
(6)
Время работы двигателя при спуске холостого гака:

Здесь скорость спуска холостого гака равна скорости подъёма холостого гака

Суммарное время включённого состояния двигателя:

Определяем продолжительность включения двигателя

2.2 Расчёт статической мощности на выходном валу механизма.
Статическая мощность на выходном валу при подъёме груза:

(8)
Статическая мощность на выходном валу при спуске груза:

Статическая мощность на выходном валу при посадке груза:

(10)
Статическая мощность на выходном валу при подъёме холостого гака:

(11)
Статическая мощность на выходном валу при спуске холостого гака:

2.3 Расчёт статической мощности на валу двигателя.
Статическая мощность на валу двигателя при подъёме груза:

(13)
Статическая мощность на валу двигателя при спуске груза:

(14)
Статическая мощность на валу двигателя при посадке груза:

Статическая мощность на валу двигателя при подъёме холостого гака:

Здесь η х.г =0,2

Статическая мощность на валу двигателя при спуске холостого гака:

2.4 Построение упрощённой нагрузочной диаграммы двигателя.

Рисунок 1 – Упрощённая нагрузочная диаграмма двигателя

2.5 Расчёт требуемой мощности двигателя по упрощённой нагрузочной диаграмме

Средне квадратичную мощность рассчитываем по формуле:

(18)
где β i - коэффициент, учитывающий ухудшение теплоотдачи и рассчитывается для всех рабочих участков по формуле:

(19)
Здесь β 0 - коэффициент, учитывающий ухудшение теплоотдачи при неподвижном роторе

Для двигателей открытого и защищённого исполнения β 0 =0,25÷0,35

Для двигателей закрытого обдуваемого исполнения β 0 =0,3÷0,55

Для двигателей закрытых без обдува β 0 =0,7÷0,78

Для двигателей с принудительной вентиляцией β 0 =1
Принимаем β 0 =0,4 и υ ном = м/с
При подъёме груза:

(20)
При спуске груза до одного метра:
(21)
При посадке груза:

(22)
При подъёме холостого гака:

(23)
При спуске холостого гака:

(24)
Таблица 2 – Сводная таблица данных для расчёта среднеквадратичной

мощности

Запишем выражение для расчёта среднеквадратичной мощности двигателя:

=

Номинальную мощность двигателя находим по формуле:

(26)
где k з =1,2 – коэффициент запаса

ПВ ном =40% - номинальная продолжительность включения

По справочнику выбираем двигатель марки, который имеет следующие характеристики:
Номинальная мощность Р н = кВт

Номинальное скольжение s н = %

Частота вращения n= об/мин

Номинальный ток статора I ном = А

Номинальный КПД η н = %

Номинальный коэффициент мощности cosφ н =

Момент инерции J = кг·м 2

Число пар полюсов р =

3. Построение механической и электромеханической характеристики.
3.1 Расчёт и построение механической характеристики.

Номинальная угловая скорость вращения:

(26)

Н
(27)
оминальный момент:

Определяем критическое скольжение для двигательного режима:

где

перегрузочная способность λ=

(29)

Критический момент вращения находим из выражения 29:

По уравнению Клосса находим М дв:

(31)
Запишем выражение для угловой скорости:

(32)
где ω 0 =157 с –1
Используя формулы 31, 32 составим расчётную таблицу:
Таблица 3 – Данные для построения механической характеристики.

(33)
где

(34)

Ток, значение которого обусловлено параметрами скольжения и момента на валу:

(35)
Используя формулы 33, 34, 35 составим расчётную таблицу:
Таблица 4 – Данные для построения электромеханической характеристики.

Рисунок 2 – Механическая и электромеханическая характеристики асинхронного

двигателя типа при 2р= .

4. Построение нагрузочной диаграммы
4.1 Подъём номинального груза.

(36)
Передаточное число:

(37)
Момент на валу электродвигателя:

Время разгона:

(39)
где угловая скорость ω 1 определена по механической характеристике двигателя и соответствует моменту М 1ст.
Выбранный двигатель типа снабжён дисковым тормозом типа с М т = Н·м
Постоянные потери в электродвигателе:

(40)
Тормозной момент, обусловленный постоянными потерями в электродвигателе:

(41)

Суммарный тормозной момент:

Время остановки поднимаемого груза при отключении двигателя:

(43)

Установившаяся скорость подъёма номинального груза:

(44)

Время подъёма груза при установившемся режиме:

Ток, потребляемый двигателем, в пределах допустимых нагрузок пропорционален моменту на валу и может быть найден по формуле:

4.2 Тормозной спуск груза.
Момент на валу электродвигателя при опускании номинального груза:

Поскольку в пределах допустимых нагрузок механическую характеристику для генераторного и двигательного режимов можно представить одной линией, скорость рекуперативного торможения определяется по формуле:

(49)
где угловая скорость ω 2 определена по механической характеристике двигателя и соответствует моменту М 2ст.
Если ток тормозного режима I 2 принять равным току двигателя, работающего с моментом М 2ст, то:

Время разгона при опускании груза с включённым двигателем:

(51)
Тормозной момент при отключении двигателя от сети:

Время остановки опускаемого груза:

Скорость опускания груза:

(54)
Путь, пройденный грузом при разгоне и торможении:

(55)
Время опускания груза при установившемся режиме:

(56)

1. 
   Подъём холостого гака.

Момент на валу электродвигателя при подъёме холостого гака:

(57)
Моменту М 3ст = Н·м соответствует, согласно механической характеристике, скорость двигателя ω 3 = рад/с

Ток, потребляемый двигателем:

(58)
Приведенный к валу двигателя момент инерции электропривода:

(59)
Время разгона при подъёме холостого гака:

(60)
Тормозной момент при отключении двигателя в конце подъёма гака:

Время остановки поднимаемого гака:

(62)

Скорость подъёма холостого гака:

(63)

(64)
Время установившегося движения при подъёме холостого гака:

1. 
   Силовой спуск силового гака.

Момент на валу электродвигателя при опускании холостого гака:

(66)
Моменту М 4ст = Нм соответствует скорость двигателя ω= рад/с

и потребляемый ток:

(67)
Время разгона при опускании холостого гака:

(68)
Тормозной момент при отключении двигателя:

(69)
Время остановки опускаемого гака:

(70)
Скорость опускания холостого гака:

Путь, пройденный гаком при разгоне и торможении:

(72)
Время установившегося движения при опускании холостого гака:

(73)
Расчётные данные работы двигателя сводим в таблицу 5.

Таблица 5 – Расчётные данные работы двигателя.

5. Проверка выбранного двигателя на обеспечение

заданной производительности лебёдки.

Полная продолжительность цикла:

Число циклов в час:

6. Проверка выбранного двигателя на нагрев.

Расчётная продолжительность включения:

(76)
Эквивалентный ток при повторно-кратковременном режиме,

соответствующий расчётной ПВ% (полагая ток плавно спадающим

от пускового до рабочего, берём для расчёта его среднее значение,

тем более что время переходного процесса ничтожно мало):

Эквивалентный ток при повторно-кратковременном режиме, пересчитанный на стандартную ПВ% выбранного двигателя, по уравнению:

(78)
Таким образом, I ε н = А
8. Список используемой литературы.

1. 
   Чекунов К. А. “Судовые электроприводы электродвижение судов”. – Л.:

2. Теория электропривода. методические указания к курсовой работе для

студентов дневных и заочных факультетов высших учебных заведений по

специальности 1809 “Электрооборудование и автоматика судов”.-

Калининград 1990г.

3. Чиликин М. Г. “Общий курс электропривода”.- М.: Энергия 1981г.

7. Силовая схема преобразователя частоты с инвертором напряжения.

Преобразователь с инвертором напряжения включает следующие основные силовые узлы (рисунок 3): управляемый выпрямитель УВ с LC-фильтром; инвертор напряжения – АИ с группами вентилей прямого ПТ и обратного ОТ тока, отсекающими диодами и коммутирующими конденсаторами ; ведомый инвертор ВИ с LC-фильтром. Обмотки дросселя фильтров УВ и ВИ выполнены на общем сердечнике и включены в плечи вентильных мостов, выполняя при этом также функции токоограничения. В преобразователе осуществляется амплитудный метод регулирования выходного напряжения посредством УВ, а АИ выполнен по схеме с одноступенчатой междуфазовой коммутацией и устройством подзаряда конденсаторов от отдельного источника (на схеме не показано). Ведомый инвертор ВИ обеспечивает режим рекуперативного торможения электропривода. При построении преобразователя принято совместное управление УВ и ВИ. Поэтому с целью ограничения уравнительных токов система регулирования должна обеспечить более высокое напряжение постоянного тока ВИ, чем у УВ. Кроме того, система регулирования должна обеспечить заданный закон управления напряжением и частотой преобразователя.

Поясним формирование кривой выходного напряжения. Если первоначально в проводящем состоянии были тиристоры 1 и 2, то при открывании тиристора 3 заряд кондесатора прикладывается к тиристору 1, и онзакрывается. Проводящими оказываются тиристоры 3 и 2. Под действием ЭДС самоиндекции и фазы А открываются диоды 11 и 16, так как разность потенциалов между началами фаз А и В оказывается наибольшей. Если продолжительность включения обратных диодов, определяемая самоиндукцией фазы нагрузки, меньше длительности рабочего интервала, диоды 11 и 16 закрываются.

В звено постоянного тока параллельно инвертору включается конденсатор, ограничивающий пульсации напряжения , возникающие при переключении тиристоров инвертора. В результате звено постоянного обладает сопротивлением для переменной составляющей тока, и напряжение входа и выхода инвертора при постоянных параметрах нагрузки связаны постоянным коэффициентом.

Плечи инвертора обладают двухсторонней проводимостью. Для обеспечения этого в плечах инвертора используются тиристоры, зашунтированные встречно включёнными диодами.

Электроэнергетический факультет

Кафедра автоматизированного электропривода и электромеханики

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Теория электропривода»

Расчет электропривода грузового лифта

Пояснительная записка

Введение…………………………………………………………...………………

1 Расчет электропривода грузового лифта………………………………………

1.1 Кинематическая схема рабочей машины, ее описание и технические данные………………………………………………………………………………...…

1.2 Расчет статических моментов…………………………………………...……

1.3 Расчет нагрузочной диаграммы………………………………………………

1.4 Предварительный расчет мощности электродвигателя и его выбор………

1.5 Расчет приведенных статических моментов……………………………...…

1.6 Построение нагрузочной диаграммы электродвигателя……………………

1.7 Предварительная проверка электропривода по нагреву и производительности…………………………………………………………………….

1.8 Выбор системы электропривода и его структурная схема…………………

1.9 Расчет и построение естественных механической и электромеханической характеристик выбранного двигателя…………………………………………………

1.9.1 Расчет и построение естественных характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения…………………………………..……

1.10 Расчет и построение искусственных характеристик………………………

1.10.1 Расчет и построение пусковой диаграммы двигателя с линейной механической характеристики графическим способом……………………….……..

1.10.2 Построение тормозных характеристик……………………………...……

1.11 Расчет переходных режимов электропривода……………………………..

1.11.1 Расчет механических переходных процессов электропривода при абсолютно жестких механических связях………………………………………

1.11.2 Расчет механического переходного процесса электропривода при наличии упругой механической связи……………………………………………...…

1.11.3 Расчет электромеханического переходного процесса электропривода при абсолютно жестких механических связях……………………………………..…

1.12 Расчет и построение уточненной нагрузочной диаграммы двигателя

1.13 Проверка электропривода на заданную производительность, по нагреву и перегрузочной способности электродвигателя…………………………………..…

1.14 Принципиальная схема электрической части электропривода

Заключение ………………………………………………………………..………

Список литературы……………………………………………………………..…

Введение

Способ получения энергии, необходимой для выполнения механической работы в производственных процессах, на всех этапах истории человеческого общества оказывал на развитие производительных сил решающее влияние. Создание новых, более совершенных двигателей, переход к новым видам приводов рабочих машин явились крупными историческими вехами на пути развития машинного производства. Замена двигателей, реализующих энергию падающей вод, паровой машины, послужила мощным толчком к развитию производства в прошлом веке – веке пара. Наш 20 в. Получил название века электричества в первую очередь потому, что основным источником механической энергии стал более совершенный электрический двигатель и основным видом привода рабочих машин является электрический привод.

Индивидуальный автоматизированный электропривод в настоящее время получил широкое применение во всех сферах жизни и деятельности общества – от сферы промышленного производства до сферы быта. Благодаря рассмотренным выше особенностям совершенствование технических показателей электроприводов во всех областях применения является основой технического прогресса.

Широта применения определяет исключительно большой диапазон мощностей электроприводов (от долей ватта до десятков тысяч киловатт) и значительное разнообразие из исполнения. Уникальные по производительности промышленные установки – прокатные станы в металлургической промышленности, шахтные подъемные машины и экскаваторы в горнодобывающей промышленности, мощные строительные и монтажные краны, протяженные высокоскоростные конвейерные установки, мощные металлорежущие станки и многие другие – оборудуются электрическими приводами, мощность которых составляет сотни и тысячи киловатт. Преобразовательные устройства таких электроприводов представляет собой генераторы постоянного тока, тиристорные и транзисторные преобразователи с выходом на постоянном токе, тиристорные преобразователи частоты соответствующей мощности. Они обеспечивают широкие возможности регулирования потока электрической энергии, поступающей в двигатель, в целях управления движением электропривода и технологическим процессом приводимого в движение механизма. Их управляющие устройства, как правило, построены на основе использования микроэлектроники и во многих случаях включают в себя управляющие вычислительные машины.

1 Расчет электропривода грузового лифта

1.1 Кинематическая схема рабочей машины, ее описание и технические данные

1 – электродвигатель,

2 – тормозной шкив,

3 –редуктор,

4 – канатоведущий шкив,

5 – противовес,

6 – грузовая клеть,

7 – нижняя площадка,

8 – верхняя площадка.

Рисунок 1 – Кинематическая схема лифта

Грузовой лифт осуществляет подъем груза, помещенного в грузовую клеть, с нижней площадки на верхнюю. Вниз клеть опускается пустая.

В цикл работы грузового лифта входит время загрузки, время подъема клети со скоростью V р, время разгрузки и время спуска клети со скоростью V в> V р

Таблица 1 – Исходные данные

По заданию необходимо при расчете механизма брать двигатель постоянного тока с независимым возбуждением.

1.2 Расчет статических моментов

Момент статического сопротивления грузового лифта складывается из момента силы тяжести и момента сил трения в подшипниках канатоведущего шкива и трения грузовой клети и противовеса в направляющих шахты.

Момент силы тяжести определяется по формуле:

где D – диаметр канатоведущего шкива, м;

m рез – результирующая масса, которая поднимается или спускается электроприводом лифта, кг.

Результирующая масса определяется соотношение масс груза, клети и противовеса и может быть рассчитана по формуле:

m рез = m k + m г - m n =1500+750-1800=450 кг

Момент силы трения в подшипниках канатоведущего шкива можно определить по выражению:

Момент силы трения грузовой клети и противовеса в направляющих шахты математически точно определить практически невозможно, так как величина этого сопротивления зависит от многих факторов, не поддающихся учету. Поэтому величина момента сил трения клети и противовеса в направляющих учитывается величиной кпд механизма, которая определена заданием на проектирование.

Таким образом, полный момент статического сопротивления грузового лифта определяется по выражению:

если двигатель работает в двигательном режиме, и по выражению:

если двигатель работает тормозном (генераторном) режиме.

1.3 Расчет нагрузочной диаграммы рабочей машины

Для того, чтобы ориентировочно оценить требуемую для данного механизма мощность двигателя, необходимо определить тем или иным способом мощность или момент производственного механизма на разных участках его работы и скорости движения рабочего органа механизма на этих участках. Другими словами, необходимо построить нагрузочную диаграмму производственного механизма.

Механизм, работающий в повторно-кратковременном режиме, в каждом цикле совершает прямой ход с полной нагрузкой и обратный ход на холостом ходу или с малой нагрузкой. На рисунке 2.1 приведена нагрузочная диаграмма механизма с ограничением допустимого ускорения рабочего органа механизма.

Рисунок 2 – Нагрузочная диаграмма механизма с ограничением ускорения

На нагрузочной диаграмме изображены:

- , – статические моменты при прямом и обратном ходах;

- , – динамические моменты при прямом и обратном ходах;

- , – пусковые моменты при прямом и обратном ходах;

- , – тормозные моменты при прямом и обратном ходах;

- , – скорости прямого и обратного ходов;

- , – времена пуска, торможения и установившегося движения при прямом ходе;

- , – времена пуска, торможения и установившегося движения при обратном ходе.

По заданным скоростям V c 1 , V c 2 , длине перемещения L, и допустимому ускорению а, рассчитываются t п1 , t п2 , t т1 , t т2 , t у1 , t у2 .

Время пуска и торможения:

Путь, проходимый рабочим органом машины за время пуска (торможения):

Путь, проходимый рабочим органом машины за время установившегося движения:

Время установившегося движения:

Время работы механизма при прямом и обратном ходах:

Динамические моменты рабочей машины

где D – диаметр вращающегося элемента рабочей машины, преобразующего вращательное движение в поступательное, м,

J рм1 , J рм1 – моменты инерции рабочей машины при прямом и обратном ходах.

Полный момент рабочего органа механизма, в динамическом режиме (пуск, торможение) при прямом и обратном ходах, определяются по выражениям:

1.4 Предварительный расчет мощности электродвигателя и его выбор

Таким образом, в результате расчетов по вышеприведенным формулам координаты нагрузочных диаграммы получают конкретные значения, позволяющие рассчитать среднеквадратическое значение момента за цикл работы.

Для нагрузочной диаграммы, с ограничением ускорения:

Фактическая относительна продолжительность включения определяется из выражений:

где t ц – длительность цикла работы, с,

Z – число включений в час.

Имея значение среднеквадратичного момента производственного механизма за цикл, ориентировочную требуемую мощность двигателя можно определить по соотношению:

где V сн – скорость рабочего органа механизма V c 2 ,

ПВН – номинальное значение продолжительности включения, ближайшее к фактическому ПВ Н,

К – коэффициент, учитывающий величину и длительность динамических нагрузок электропривода, а также потери в механических придачах и в электродвигателе. Для нашего случая К = 1.2.

Теперь выбирается двигатель, подходящий по условиям эксплуатации.

Параметры двигателя:

Краново-металлургический двигатель постоянного тока,U Н =220 В, ПВ=25%.

Таблица 2 – Данные двигателя

Определяем передаточное число редуктора:

где w Н – номинальная скорость выбранного двигателя.

Редуктор можно выбирать по справочнику, учитывая определенное передаточное число, номинальную мощность и скорость двигателя, а так же режим работы механизма, для которого этот редуктор предназначен.

Такой выбор редуктора является весьма примитивным и годным разве что для механизмов типа лебедки. Реально редуктор проектируется для конкретного рабочего механизма и является его неотъемлемой частью, ограниченно связанной и с электродвигателем и с рабочим органом. Поэтому, если выбор редуктора не ограничен особо в задании на проектирование.

1.5 Расчет приведенных статических моментов, моментов инерции и коэффициента жесткости системы электрический двигатель – рабочая машина

Для того чтобы можно было рассчитать статические и динамические характеристики электропривода, необходимо все статические и динамические нагрузки привести к валу двигателя. При этом должны учитываться не только передаточное число редуктора, но и потери в редукторе, а так же постоянные потери в двигателе.

Потери холостого хода двигателя (постоянные потери) можно определить, приняв их равными переменным потерям в номинальном режиме работы:

где η н – номинальный кпд двигателя.

Если величина η н в каталоге не дается, ее можно определить по выражению:

Момент постоянных потерь двигателя

Таким образом, приведенные к валу двигателя статические моменты системы электродвигатель – рабочая машина на каждом участке работы рассчитываются по формулам:

если двигатель в установившемся режиме работает в двигательном режиме.

Суммарный приведенный к валу электродвигателя момент инерции системы электродвигатель – рабочая машина состоит как бы из двух составляющих:

а) момент инерции ротора (якоря) двигателя и связанных с ним элементов электропривода, вращающихся с той же скоростью, что и двигатель,

б) приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции движущихся исполнительных органов рабочей машины и связанных с ними движущихся масс, задействованных в технологическом процессе данного рабочего механизма.

Таким образом, суммарный приведенный к валу двигателя момент инерции, при прямом и обратных ходах определяется по выражениям:

где J д – момент инерции якоря (ротора) двигателя,

а – коэффициент учитывающий наличие на быстроходном валу других элементов электропривода, таких как муфт, тормозного шкива и т.п.

Для механизма, представленного в задании на курсовое проектирование, коэффициент а = 1,5.

J пррм1 , J пррм2 – приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции движущихся исполнительных органов, и, связанных с ними масс рабочей машины при прямом и обратном ходах:

Для того, чтобы получить представление о влиянии упругих механических связей на переходные процессы системы электродвигатель – рабочая машина в задании представлена крутильная жесткость C k .

Приведенную к валу двигателя жесткость упругой механической связи С пр определяют через значение крутильной жесткости:

1.6 Построение нагрузочной диаграммы электродвигателя

Для построения нагрузочной диаграммы электродвигателя необходимо определить требуемые для пуска и торможения значения динамических моментов, а так же значения пусковых и тормозных моментов двигателя.

Для нашей нагрузочной диаграммы механизма с ограничением ускорения значения этих моментов определяется по следующим выражениям.

Пусковые и тормозные моменты для случая, когда двигатель в установившемся режиме работает в двигательном режиме, определяется по формуле:

Для построения рабочей характеристики потребуется значение скорости w c 1 . Скорость w c2 равна номинальной скорости электродвигателя.

Рисунок 3 – Приближенная нагрузочная диаграмма электродвигателя

1.7 Предварительная проверка электродвигателя по нагреву и производительности

Предварительная проверка двигателя по нагреву может быть проведена по нагрузочной диаграмме двигателя методом эквивалентного момента. В данном случае этот метод не дает значительной погрешности, т.к. и двигатель постоянного тока, и двигатель переменного тока будут работать в проектируемом электроприводе на линейной части механических характеристик, что дает основание с большой долей вероятности считать момент двигателя пропорциональным току двигателя.

Эквивалентный момент определяется по выражению:

Допустимый момент предварительно выбранного двигателя, работающего при ПВ ф:

Условие правильности предварительного выбора двигателя:

Для нашего случая

что удовлетворяет условиям выбора электродвигателя.

1.8 Выбор системы электропривода и его структурная схема

Проектируемый электропривод совместно с заданным производственным механизмом образует единую электромеханическую систему. Электрическая часть этой системы состоит из элктромеханического преобразователя энергии постоянного или переменного тока и системы управления (энергетической и информационной). Механическая часть электромеханической системы включает в себя все связанные движущиеся массы привода и механизма.

В качестве основного представления механической части принимаем расчетную механическую систему (рисунок 4), частым случаем которой при пренебрежении упругостью механических связей является жесткое приведенное механическое звено.

Рисунок 4 – Двухмассовая расчетная механическая система

Здесь J 1 и J 2 – приведенные к валу двигателя моменты инерции двух масс электропривода, связанных упругой связью,

w1, w2 – скорости вращения этих масс,

с12 – жесткость упругой механической связи.

В результате анализа электромеханических свойств различных двигателей установлено, что при определенных условиях механические характеристики этих двигателей описываются идентичными уравнениями. Поэтому при этих условия аналогичны и основные электромеханические свойства двигателей, что позволяет описывать динамику электромеханических систем одними и тем же уравнениями.

Вышесказанное справедливо для двигателей с независимым возбуждением, двигателей с последовательным возбуждением и смешанным возбуждением при линеаризации их механических характеристик в окрестности точки статического равновесия и для асинхронного двигателя с фазным ротором при линеаризации рабочего участка его механической характеристики.

Таким образом, применив одни и те же обозначения для трех типов двигателей, получим систему дифференциальных уравнений, описывающих динамику линеаризованной электромеханической системы:

где М с(1) и М с(2) – части общей нагрузки электропривода, приложенные к первой и второй массам,

М 12 – момент упругого взаимодействия между движущимися массами системы,

β – модуль статической жесткости механической характеристики,

Т э – электромагнитная постоянная времени электромеханического преобразователя.

Структурная схема, соответствующая системе уравнений представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Структурная схема электромеханической системы

Параметры w0, Тэ, β определяются для каждого типа двигателя по собственным выражениям.

Система дифференциальных уравнению и структурная схема правильно отражает основные закономерности, свойственные реальным нелинейным электромеханическим системам в режимах допустимых отклонений от статического состояния.

1.9 Расчет и построение естественных механической и электромеханической характеристик выбранного электродвигателя

Уравнение естественных электромеханической и механической характеристик данного двигателя имеют вид:

где U – напряжение на якоре двигателя,

I – ток якоря двигателя,

M – момент, развиваемый двигателем,

R яΣ – суммарное сопротивление якорной цепи двигателя:

где R я – сопротивление обмотки якоря,

R дп – сопротивление обмотки дополнительных полюсов,

R ко – сопротивление компенсационной обмотки,

Ф – магнитный поток двигателя.

К – конструктивный коэффициент.

Из выражений, приведенных выше видно, что характеристики двигателя линейна при условии Ф = const и могут быть построены по двум точкам. Такими точками выбираются точка идеального холостого хода и точка номинального режима. Остальные величины определяются:

Рисунок 6 - Естественная характеристика двигателя

1.10 Расчет и построение искусственных характеристик электродвигателя

К искусственным характеристикам двигателя в данном курсовом проекте относятся реостатная характеристика для получения пониженной скорости при работе двигателя с полной нагрузкой, а так же реостатные характеристики обеспечивающие заданные условия пуска и торможения.

1.10.1 Расчет и построение пусковой диаграммы двигателя с линейной механической характеристики графическим способом

Построение начинается с построения естественной механической характеристики. Далее требуется рассчитать максимальный момент развиваемый двигателем.

где λ – перегрузочная способность двигателя.

Для построения рабочей характеристики используем значения w 1 и М с1 , точку идеального холостого хода.

При выходе на естественную характеристику имеется бросок тока, который выходит за рамки М 1 и М 2 . Для запуска с рабочей характеристики необходимо оставить текущую схему пуска. Так как при пуске на рабочую и естественную характеристику ступень требуется одна и нет надобности в дополнительных ступенях.

М 1 и М 2 принимаем равными:

Рисунок 7 - Пусковая характеристика двигателя

Согласно рисунку пусковые сопротивления рассчитываются по следующим формулам:

Последовательность пуска отображена на рисунке в виде знаков.

1.10.2 Расчет и построение рабочей характеристики двигателя с линейной механической характеристики.

Рабочая характеристика двигателя постоянного тока с независимым возбуждением строится по двум точкам: точка идеального холостого хода и точка рабочего режима, координаты которых определены ранее:

Рисунок 8 - Рабочая характеристика двигателя

В зависимости от того как располагаются рабочая характеристика относительно пусковой диаграммы двигателя, необходима та или иная коррекция либо пусковой диаграммы, либо траектории пуска двигателя под нагрузкой Мс1 до скорости wc1.

Рисунок 9 - Рабочая характеристика двигателя

1.10.3 Построение тормозных характеристик

Техническим заданием определено максимально допустимое, в переходных процессах, ускорение, то исходным для построения тормозных характеристик являются величины средних, постоянных по величине, тормозных моментов, определенных в пункте 6. Так как, при их определении ускорение считалось постоянным, тормозные моменты при торможении с различной нагрузкой и с разных начальных скоростей могут значительно отличаться друг от друга, причем в большую, либо меньшую сторону. Теоретически возможно даже их равенство:

Поэтому должны быть построены обе тормозные характеристики.

Рисунок должен учитывать, что реостатные характеристики торможения Противовключением должны быть построены таким образом, чтобы площадь между характеристиками и осями координат примерно равнялись в одном случае:

а в другом случае:

Зачастую величины тормозных моментов бывают намного меньше пикового момента М 1 , при котором определяются пусковые сопротивления. В этом случае необходимо построить естественную характеристику двигателя для обратного направления вращения и определить величины тормозных сопротивлений по выражениям согласно рисунку:

1.11 Расчет переходных режимов электропривода

В данном курсовом проекте должны быть рассчитаны переходные процессы пуска и торможении с различной нагрузкой. В результате должны быть получены зависимости момента, скорости и угла поворота от времени.

Результаты расчета переходных процессов будут использованы при построении нагрузочных диаграмм электропривода и проверке двигателя по нагреву, перегрузочной способности и заданной производительности.

1.11.1 Расчет механических переходных процессов электропривода при абсолютно жестких механических связях

При представлении механической части электропривода жестким механическим звеном и пренебрежении электромагнитной инерцией, электропривод с линейной механической характеристикой, представляет собой апериодическое звено, с постоянной времени Т м.

Уравнения переходного процесса для этого случая записываются так:

где М с – момент двигателя в установившемся режиме,

w c - скорость двигателя в установившемся режиме,

М нач – момент в начале переходного процесса,

W нач – скорость двигателя в начале переходного процесса.

Т м – электромеханическая постоянна времени.

Электромеханическая постоянная времени считается по следующей формуле, для каждой ступени:

Для тормозных характеристик:

Время работы на характеристике, при переходных процессах определяется по следующей формуле:

Для выхода на естественную характеристику считаем:

Для выхода на рабочую характеристику:

Для тормозных характеристик:

Время переходных процессов при пуске и торможении определяется, как сумм времен на каждой ступени.

Для выхода на естественную характеристику:

Для выхода на рабочую характеристику:

Время работы на естественной характеристике теоретически равно бесконечности, соответственно его считали как (3-4) Тm.

Таким образом, были получены все данные для расчета переходных процессов.

1.11.2 Расчет механического переходного процесса электропривода при наличии упругой механической связи

Для расчета данного переходного процесса необходимо знать ускорение и частоту свободных колебаний системы.

Решение уравнения имеет вид:

В абсолютно жесткой системе нагрузка передач в процессе пуска равна:

За счет упругих колебаний нагрузка возрастает и определяется по выражению:

Рисунок 13 - Упругие колебания нагрузки

1.11.3 Расчет электромеханического переходного процесса электропривода при абсолютно жестких механических связях

Для расчета данного переходного процесса необходимо, что бы были рассчитаны следующие величины:

Если отношение постоянных времени меньше четырех то используем следующие формулы для вычисления:

Рисунок 14 - Переходной процесс W(t)

Рисунок 15 - Переходной процесс М(t)

1.12 Расчет и построение уточненной нагрузочной диаграммы электродвигателя

Уточненная нагрузочная диаграмма двигателя должна быть построена с учетом пусковых и тормозных режимов работы двигателя в цикле.

Одновременно с расчетом нагрузочной диаграммы двигателя необходимо рассчитать величину среднеквадратичного момента на каждом участке переходного процесса.

Среднеквадратичный момент характеризует нагрев двигателя в том случае, когда двигатели работают на линейной части своих характеристик, где момент пропорционален току.

Для определения среднеквадратичных значений момента или тока реальная кривая переходного процесса аппроксимируется прямолинейными участками.

Значения среднеквадратичных моментов на каждом участке аппроксимации определим по выражению:

где М нач i – начальное значение момента на рассматриваемом участке,

М кон i – конечное значение момента на рассматриваемом участке.

Для нашей нагрузочной диаграммы необходимо определить шесть среднеквадратичных момента.

Для движения на естественной характеристике:

Для движения на рабочей характеристике:

1.13 Проверка электропривода на заданную производительность, по нагреву и перегрузочной способности

Проверка на заданную производительность механизма заключается в том, чтобы проверить, укладывается ли рассчитанное время работы в заданное техническим заданием t p .

где t рр – расчетное время работы электропривода,

t п1 и t п2 – времена первого и второго пусков,

t т1 и t т2 – времена первого и второго торможений,

t у1 и t у2 – времена установившихся режимов при работе с большей и малой нагрузкой,

t п2 , t п1 , t т2 , t т12 – берутся из расчета переходных процессов,

Проверку выбранного двигателя по нагреву в данном курсовом проекте следует выполнить методом эквивалентного момента.

Допустимый момент двигателя в повторно – кратковременном режиме определяют по выражению:

1.14 Принципиальная электрическая схема силовой части электропривода

Силовая часть представлена в графической части.

Описание силовой схемы электродвигателя

Управление электроприводом заключается, в – первых, в подключении обмоток двигателя к питающей сети при пуске и отключение при остановке и во – вторых, постепенного переключения релейно–контакторной аппаратурой ступеней пускового резистора по мере разгона двигателя.

Выведение ступеней пускового резистора в цепи ротора, возможно несколькими способами: в функции скорости, в функции тока и в функции времени. В данном проекте пуск двигателя осуществляется в функции времени.

Заключение

В данном курсовом был рассчитан электропривод тележки мостового крана. Выбранный двигатель не совсем удовлетворяет условиям, так как момент развиваемы двигателем больше, чем требуется для данного механизма, следовательно, необходимо выбрать двигатель с меньшим моментом. Так как перечень предлагаемых двигателей не полный, то мы оставляем данный двигатель с поправкой.

Так же для использования рабочей характеристики для пуска в обоих направлениях, мы допустили несколько больший скачек тока, при переходе на естественную характеристику. Но это допустимо, так как изменение схемы пуска привело бы к необходимости введения дополнительного сопротивления.

Список литературы

1.Ключев, В.И. Теория электропривода / В.И. Ключев. – М.: Энергоатомиздат, 1998.- 704с.

2.Чиликин, М.Г. Общий курс электропривода / М.Г. Чиликин. – М.: Энергоатомиздат, 1981. -576 с.

3.Вешеневский, С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе / С.Н. Вешеневский. – М.: Энергия, 1977. – 432 с.

4.Андреев, В.П. Основы электропривода / В.П. Андреев, Ю.А. Сабинин. – Госэнергоиздат, 1963. – 772 с.

Скачать курсовую: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.

Главная » Стойка » Привет студент. Количественная оценка моментов и сил сопротивления